射频和微波切换测试系统基础
时间：2009-09-12 06:46:00
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[导读]本文将讨论RF和微波切换测试系统中的关键组件，包括不同的切换方式、RF切换卡的规格，并协助测试工程师提高测试处理能力、降低测试成本的RF切换设计中所需考虑的问题，协助理解射频／微波切换系统建构中的各种设计参
本文将讨论RF和微波切换测试系统中的关键组件，包括不同的切换方式、RF切换卡的规格，并协助测试工程师提高测试处理能力、降低测试成本的RF切换设计中所需考虑的问题，协助理解射频／微波切换系统建构中的各种设计参数，以确保信号和系统的完整性。
关键的射频与微波切换测试
无线通信产业的蓬勃发展，对无线设备的组件测试造成很大的冲击，包括对组成通 讯系统的各种射频集成电路（RF IC）和单晶微波集成电路（microwave monolithic IC）的测试。这些测试通常需要很高的频率，普遍都在GHz范围。本文将讨论RF和微波切换测试系统中的关键组件，包括不同的切换方式、RF切换卡的规 格，并协助测试工程师提高测试处理能力、降低测试成本的RF切换设计中所需考虑的问题。
射频切换和低频切换参数的区别
将信号从一个频率点切换到另一个频率点看似简单，但要在切换的同时达成极低的 信号损失，这又该如何实现？在设计低频和直流（DC）信号的切换系统都需要考虑它们特有的参数，包括接触电位（contact potential）、稳态时间（settling time）、偏移电流（offset current）和隔离特性等。
高频信号，与低频信号类似，需要考虑其特有的参数，而这些参数，包括电压驻波 比（voltage standing wave ratio；VSWR）、插入损耗（insertion loss）、带宽和隔离等等，会影响切换过程中的信号表现。此外，硬件选项，比如端点、连接器类型、继电器类型，也会极大地影响这些参数。
《图一高频机电继电器示意图》
切换种类和构造
继电器接头设计
继电器内的电容是限制切换信号频率的常见因素。继电器的材料和物理特性决定了其内部电容。举例来说，电极之间的电容借着耦合电极之间、或是继电器之间的信号，降低AC信号的隔离。
在机电继电器（electromechanical relay）中采用了特殊的接头和架构，可协助高达40GHz的射频和微波切换获得更好的性能。图一便显示一个典型的构造，共同端接位在两个切换端接之 间。所有信号的连接线路都是同轴线，以确保最佳的信号完整性（SI）。在这种情况下，接头形式采SMA母接头（female SMA）。对于更加复杂的切换结构，共同端子被各个切换端子放射状围绕。
《图二单通道阻断（blocking）矩阵和无阻断（non-blocking）矩阵示意图》
两种切换拓墣和矩阵架构
一系列复杂的切换拓扑在RF切换中被采用。一个矩阵式切换器可以连结每个输 入和输出。两种类型─阻断（blocking）和无阻断（non-blocking）─的矩阵在微波切换架构中被采用。一个阻断矩阵可将任意一个输入和任 意一个输出进行连接，并使其他的输入和输出无法同时紧行连接。这对同一时间只需切换到一个信号频率的应用，是一个具成本效益的解决方案。信号完整性也将更 好，因为有较少的继电器路径，尤其避免了相位延迟（phase delay）的问题。而无阻断矩阵允许多个路径同时连接，这种架构具有更多的继电器和缆线，能提供更有弹性的配置方法，不过价格也更高。
《图三cascade切换架构示意图》
cascade和树状切换架构
cascade切换架构是多点切换的一种替代形式。它采用多个继电器将一个输入连接到多个输出。路径长度（同时决定了相位延迟）由信号通过的继电器的数量决定。
树形架构是cascade切换架构的一种替代方案。与cascade架构相 比，针对同样规格的系统，树形架构需要更多的继电器，因此需把选定的路经和其他不用的路经之间隔离开来，以协助降低继电器和通道之间的交替干扰 （crosstalk）。除此之外，树形架构也具备一些优势，包括无端接残余（unterminated stubs），以及相似的通道特性。然而，在选定路经上设有多个继电器意味着更大的能量损失，信号完整性也有待商榷。
《图四多重切换示意图（图示为一个双重切换）》
RF切换卡电气规格要点
安装于测试仪器主机上的RF切换卡，需要包含许多电气规格（electrical specification），以保持信号的完整性。
? ●交替干扰（crosstalk）：是指不同信道上传送的信号之间或信道上信号与输出信号之间产生的寄生电容耦合、电感耦合或电磁辐射。一般用特定负载阻抗和特定频率下的分贝数来表示。
? ●插入损耗（insertion loss）：是指信号在切换卡或系统中传输时的衰减，用特定频率范围的分贝数来表示。当信号低或者噪声大的时候，插入损耗是相当重要的指标。
? ●电压驻波比（voltage standing wave ratio；VSWR）：是对信号在传输过程中反射的测量，表示为信号路径上最高电压与最低电压的比值。
? ●信号带宽：是信号进行切换、传输或者放大处理的有限的频率范围。对于既定的负载条件，带宽用-3dB（半功率）定义。
? ●隔离：是邻近通道功率水平之间的比率，表示为一个频率范围上的分贝数。
RF切换设计大要
设计RF切换系统前需额外考虑的关键因素包括以下：
阻抗匹配（Impedance Matching）
若将切换置于量测仪器和受测组件（DUT）之间，必须要对系统中的阻抗进行 匹配。为达成最佳的信号传输，电源的输出阻抗应等于切换、缆线及受测组件的特性阻抗（characteristic impedance）。在RF测试中，普遍被使用的阻抗等级为50和75奥姆。无论何种阻抗等级，适当的阻抗匹配将协助确保整个系统的完整性。
输入VSWR和信号路径VSWR决定了量测的精确程度。
《公式一》
如果信号路径输出和仪器输入具有很好的VSWR，比如1.3：1，不匹配不确定性（Mismatch Uncertainty）大概在+/-0.15dB。
中止（Termination）
在高频率情况下，所有信号必须被适当地中止，否则电磁波将从端接上反射，导致VSWR的增加。一个没有端接的切换在中断状态会增加VSWR，一个有端接的切换一般需要提供50奥姆的电阻来匹配连通或中断状态。VSWR增加后，如果反射部分够大，甚至有可能损坏电源。[!--empirenews.page--]
功率传输（Power Transmission）
另一个重要的考虑是系统从仪器传送射频功率至受测组件的能力。由于插入损耗，信号常常需要放大。一些应用场合，又可能需要减少信号传至受测组件上的功率。使用放大器或衰减器可确保将所需的信号功率值通过切换系统传送。
信号滤波器（Signal Filters）
信号滤波器在某些情况下相当有用，比如噪声不小心加到透过切换传送的信号上的时候。如果原始信号频率不适合受测组件的测试频率，滤波器也很有用。在这种情况下，滤波器可被加到切换上以改变信号带宽或者滤除不需要的信号频率。
相位失真（Phase Distortion）
随着测试系统尺寸的扩大，来自相同信号源的信号可能会通过不同的途径传送至 受测组件，进而导致相位失真，通常与传输延迟（propagation delay）相关。对一个既定的传导介质，延迟与信号路径的长度成正比。不同的信号路径长度将会导致信号相位转移，导致错误的测量结果。要减少相位失真， 须确保信号路径的长度相同。
（作者为美商吉时利Keithley首席应用工程师）
关键的射频与微波切换测试
无线通信产业的蓬勃发展，对无线设备的组件测试造成很大的冲击，包括对组成通 讯系统的各种射频集成电路（RF IC）和单晶微波集成电路（microwave monolithic IC）的测试。这些测试通常需要很高的频率，普遍都在GHz范围。本文将讨论RF和微波切换测试系统中的关键组件，包括不同的切换方式、RF切换卡的规 格，并协助测试工程师提高测试处理能力、降低测试成本的RF切换设计中所需考虑的问题。
射频切换和低频切换参数的区别
将信号从一个频率点切换到另一个频率点看似简单，但要在切换的同时达成极低的 信号损失，这又该如何实现？在设计低频和直流（DC）信号的切换系统都需要考虑它们特有的参数，包括接触电位（contact potential）、稳态时间（settling time）、偏移电流（offset current）和隔离特性等。
高频信号，与低频信号类似，需要考虑其特有的参数，而这些参数，包括电压驻波 比（voltage standing wave ratio；VSWR）、插入损耗（insertion loss）、带宽和隔离等等，会影响切换过程中的信号表现。此外，硬件选项，比如端点、连接器类型、继电器类型，也会极大地影响这些参数。
《图一高频机电继电器示意图》
切换种类和构造
继电器接头设计
继电器内的电容是限制切换信号频率的常见因素。继电器的材料和物理特性决定了其内部电容。举例来说，电极之间的电容借着耦合电极之间、或是继电器之间的信号，降低AC信号的隔离。
在机电继电器（electromechanical relay）中采用了特殊的接头和架构，可协助高达40GHz的射频和微波切换获得更好的性能。图一便显示一个典型的构造，共同端接位在两个切换端接之 间。所有信号的连接线路都是同轴线，以确保最佳的信号完整性（SI）。在这种情况下，接头形式采SMA母接头（female SMA）。对于更加复杂的切换结构，共同端子被各个切换端子放射状围绕。
《图二单通道阻断（blocking）矩阵和无阻断（non-blocking）矩阵示意图》
两种切换拓墣和矩阵架构
一系列复杂的切换拓扑在RF切换中被采用。一个矩阵式切换器可以连结每个输 入和输出。两种类型─阻断（blocking）和无阻断（non-blocking）─的矩阵在微波切换架构中被采用。一个阻断矩阵可将任意一个输入和任 意一个输出进行连接，并使其他的输入和输出无法同时紧行连接。这对同一时间只需切换到一个信号频率的应用，是一个具成本效益的解决方案。信号完整性也将更 好，因为有较少的继电器路径，尤其避免了相位延迟（phase delay）的问题。而无阻断矩阵允许多个路径同时连接，这种架构具有更多的继电器和缆线，能提供更有弹性的配置方法，不过价格也更高。
《图三cascade切换架构示意图》
cascade和树状切换架构
cascade切换架构是多点切换的一种替代形式。它采用多个继电器将一个输入连接到多个输出。路径长度（同时决定了相位延迟）由信号通过的继电器的数量决定。
树形架构是cascade切换架构的一种替代方案。与cascade架构相 比，针对同样规格的系统，树形架构需要更多的继电器，因此需把选定的路经和其他不用的路经之间隔离开来，以协助降低继电器和通道之间的交替干扰 （crosstalk）。除此之外，树形架构也具备一些优势，包括无端接残余（unterminated stubs），以及相似的通道特性。然而，在选定路经上设有多个继电器意味着更大的能量损失，信号完整性也有待商榷。
《图四多重切换示意图（图示为一个双重切换）》
RF切换卡电气规格要点
安装于测试仪器主机上的RF切换卡，需要包含许多电气规格（electrical specification），以保持信号的完整性。
? ●交替干扰（crosstalk）：是指不同信道上传送的信号之间或信道上信号与输出信号之间产生的寄生电容耦合、电感耦合或电磁辐射。一般用特定负载阻抗和特定频率下的分贝数来表示。
? ●插入损耗（insertion loss）：是指信号在切换卡或系统中传输时的衰减，用特定频率范围的分贝数来表示。当信号低或者噪声大的时候，插入损耗是相当重要的指标。
? ●电压驻波比（voltage standing wave ratio；VSWR）：是对信号在传输过程中反射的测量，表示为信号路径上最高电压与最低电压的比值。
? ●信号带宽：是信号进行切换、传输或者放大处理的有限的频率范围。对于既定的负载条件，带宽用-3dB（半功率）定义。
? ●隔离：是邻近通道功率水平之间的比率，表示为一个频率范围上的分贝数。
RF切换设计大要
设计RF切换系统前需额外考虑的关键因素包括以下：
阻抗匹配（Impedance Matching）
若将切换置于量测仪器和受测组件（DUT）之间，必须要对系统中的阻抗进行 匹配。为达成最佳的信号传输，电源的输出阻抗应等于切换、缆线及受测组件的特性阻抗（characteristic impedance）。在RF测试中，普遍被使用的阻抗等级为50和75奥姆。无论何种阻抗等级，适当的阻抗匹配将协助确保整个系统的完整性。
输入VSWR和信号路径VSWR决定了量测的精确程度。
《公式一》
如果信号路径输出和仪器输入具有很好的VSWR，比如1.3：1，不匹配不确定性（Mismatch Uncertainty）大概在+/-0.15dB。
中止（Termination）
在高频率情况下，所有信号必须被适当地中止，否则电磁波将从端接上反射，导致VSWR的增加。一个没有端接的切换在中断状态会增加VSWR，一个有端接的切换一般需要提供50奥姆的电阻来匹配连通或中断状态。VSWR增加后，如果反射部分够大，甚至有可能损坏电源。[!--empirenews.page--]
功率传输（Power Transmission）
另一个重要的考虑是系统从仪器传送射频功率至受测组件的能力。由于插入损耗，信号常常需要放大。一些应用场合，又可能需要减少信号传至受测组件上的功率。使用放大器或衰减器可确保将所需的信号功率值通过切换系统传送。
信号滤波器（Signal Filters）
信号滤波器在某些情况下相当有用，比如噪声不小心加到透过切换传送的信号上的时候。如果原始信号频率不适合受测组件的测试频率，滤波器也很有用。在这种情况下，滤波器可被加到切换上以改变信号带宽或者滤除不需要的信号频率。
相位失真（Phase Distortion）
随着测试系统尺寸的扩大，来自相同信号源的信号可能会通过不同的途径传送至 受测组件，进而导致相位失真，通常与传输延迟（propagation delay）相关。对一个既定的传导介质，延迟与信号路径的长度成正比。不同的信号路径长度将会导致信号相位转移，导致错误的测量结果。要减少相位失真， 须确保信号路径的长度相同。
（作者为美商吉时利Keithley首席应用工程师）
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